薄基岩大断面巷道顶板稳定性支护研究
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结构名称 风积沙 粘土层 砂质泥岩 粉砂岩 细沙岩 粉砂岩 2 －2 煤 细砂岩
［3 ～ 6 ］
图1
二维平面模型
累计厚度（ m） 103 ． 29 101 ． 49 23 ． 49 21 ． 63 18 ． 38 8 ． 93 8 ． 33 2 ． 78
“两带 ” 动破坏 高度的动态变化特征， 提出了长壁工作 面开采防止突水溃砂的调控技术； 文献 板来压等进行研究； 秦忠诚 嘉
ห้องสมุดไป่ตู้
式中： C － 材料粘聚力； － 材料内摩擦角； I1 － 第一应力不变量； J2 、 J3 － 分别为第二 、 第三偏应力不变量 。 无支护顶板受力变形特性 切眼设计高度为 3． 9m， 按 10m 宽度开挖， 即模型 45m ～ 55m 宽度范围 。开挖后无支护情况下， 切眼上方 不同高度处各岩层所受的垂直压力分布如图 2 所示 。 表2
108
2012 年第 3 期
薄基岩大断面巷道顶板稳定性支护研究
柳
摘 要
泉， 刘坤朋
（ 兖州煤业股份有限公司鲍店煤矿， 山东 邹城 273500 ） 对于浅埋薄基岩大断面巷道， 锚杆支护一般起组合梁的作用， 能较好地提高浅部岩层的抗弯拉性， 但不能有效控制顶板的沉降； 而锚 浅埋深 薄基岩 大断面巷道 A 稳定性控制 数值分析
109
因此， 锚杆锚索联合支护可以很好地控制薄基岩 顶板的稳定性 。
图2
切眼上方不同深度处岩层垂直压力
图4
顶板垂直应力比较
由图 2 看出， 切眼开挖后， 无支护情况下， 各岩层 2． 5m 其中， 正上方的垂直压力得到不同程度的释放， 以下全部释放， 垂直压力为零； 而 9． 5m 以上垂直压力 变化较小； 其中， 超过 11． 5m 压力几乎没有变化， 与初 各岩层垂直压力的变化也可以说 始压力相等。此外， 明各岩层离层变化情况， 如 2． 5m 以下范围内各岩层完 无挤压； 而超过 11． 5m 的岩层几乎无离层现 全离层， 对薄基岩顶板必须采取合理的支护方式 。 象 。因此， 3 3． 1 锚杆锚索联合支护机理分析 切眼支护参数设计 切眼顶板支护设计采用锚杆和锚索联合支护 方 锚杆参数为： Φ16 × 2100mm， 间排距为： 1． 0 式。其中， × 1． 0m， 呈矩形布置， 每排布置 10 根； 锚索设计参数 为： Ф15． 24 × 8000mm， 间 排 距 为： 2． 5 × 2． 5m， 每排 4 根； 切眼帮部裸体支护 。切眼支护断面如图 3 所示。 3． 3
名称 砂土 粘性土 砂质泥岩 粉质砂岩 细砂岩 煤 密度 （ kg / m3 ） 2200 1800 2400 2436 2467 1270
岩土体物理力学参数
弹性模量 E（ GPa） 0． 3 1． 0 18 8． 9 9． 7 10 内聚力 （ MPa） 0． 5 1． 0 8． 0 7． 50 14． 35 1． 2 内摩擦角 Φ（ ° ） 20 13 31 30． 3 21． 8 38 泊松比 ν 0． 4 0． 3 0． 18 0． 18 0． 16 0． 2
J2 － 3 C 槡 1 － 1 3 3 J3 θ = cos （ 槡 3 /2 ） 3 2 J2
* 收稿日期： 2012 － 04 － 16 作者简介： 柳泉（ 1975 － ） ， 山东莱阳人， 毕业于山东科技大学采矿 工程专业， 现任兖矿集团鲍店煤矿计划科副科长 。
2012 年第 3 期
影响范围约为 5m 左右 。 沉降，
杆锚索联合支护则可以较好地控制顶板岩层的受力和变形， 且锚索预紧力对支护效果有很大影响。 关键词 中图分类号 TD353． 6 文献标识码
兖州矿区赋存有大量浅埋煤层 。 与深埋 煤层相 比， 浅埋煤层上部基岩一般较薄， 由多个岩层分层组 成， 各岩层具有软、 弱、 薄等特征
［1 ］
， 并且薄基岩上部还
分布有较厚的粘土、 风积砂等松散层， 因此， 巷道开挖 时往往会导致冒顶、 溃砂等事故， 威胁矿山安全生产 。 所以， 加强对薄基岩巷道顶板受力变形特性及支护方 式的研究是十分必要的 。 目前， 我国有关薄基岩的研究还很少 。 其中， 宣以 琼
［2 ］
通过多因素拟合， 确立了薄基岩浅埋煤层覆岩采 表1
［8 ］ ［7 ］
切眼顶板结构柱状图
厚度（ m） 1 ． 80 78 ． 0 1 ． 86 3 ． 25 9 ． 45 0 ． 60 5 ． 55 2 ． 78
分别通过
试验 、 数值模拟等方法对薄基岩巷道顶板破断规律 、 顶 通过试验研究， 成功地提 高了杨村 矿 3 煤 层 薄 基 岩 区 综 放 面 开 采 上 限； 郭 维 等基于建筑物下条带法开采的地表变形观测， 结 合数值模拟方法研究了厚松散层薄基岩条件下， 条带 法开采不同采留尺度的地表沉陷规律等 。 1 数值模型的建立 切眼正常段设计宽度为 8． 5m， 局部机窝 、 架窝处 为 10m。根据顶板受力特点， 按平面应变对问题进行 简化， 建立二维几何模型， 如图 1 所示 。 其中， 切眼取 10m 计算， 模型宽度取 100m， 左右两侧边界水平方向 约束， 底部垂直方向约束。 由切眼附近钻孔揭露的上 部岩层结构如表 1 所示 。 模型假定各岩土体为弹塑性材料， 物理力学参数如表 2 所示， 材料破坏符合 Mohr － Coulomb 准则， 屈服表达式为： f MC cosθ） 1 = I1 sin + （ 3 （ 1 － sin ） sinθ + 槡 3 （ 3 + sin ） 2 （ 1） （ 2） 2
图6
锚索预紧力对顶板位移影响
4
图3 切眼支护剖面图
图5 顶板位移比较
锚索预紧力影响分析 假设锚杆的预紧力为 50kN， 取锚索预紧力分别为
80kN、 100kN、 150kN、 200kN， 则不同锚索预紧力对顶板 沉降量的影响如图 6 所示 。 从图 6 中可以看出， 随锚索预紧力的增大， 巷道顶 特别是顶板表面附近位移变化较 板沉降量逐渐减小， 支护施工过程中， 提高预紧力对减小顶板 显著 。因此， 下沉， 控制巷道稳定性是十分必要的 。
［3 ～ 6 ］
图1
二维平面模型
累计厚度（ m） 103 ． 29 101 ． 49 23 ． 49 21 ． 63 18 ． 38 8 ． 93 8 ． 33 2 ． 78
“两带 ” 动破坏 高度的动态变化特征， 提出了长壁工作 面开采防止突水溃砂的调控技术； 文献 板来压等进行研究； 秦忠诚 嘉
ห้องสมุดไป่ตู้
式中： C － 材料粘聚力； － 材料内摩擦角； I1 － 第一应力不变量； J2 、 J3 － 分别为第二 、 第三偏应力不变量 。 无支护顶板受力变形特性 切眼设计高度为 3． 9m， 按 10m 宽度开挖， 即模型 45m ～ 55m 宽度范围 。开挖后无支护情况下， 切眼上方 不同高度处各岩层所受的垂直压力分布如图 2 所示 。 表2
108
2012 年第 3 期
薄基岩大断面巷道顶板稳定性支护研究
柳
摘 要
泉， 刘坤朋
（ 兖州煤业股份有限公司鲍店煤矿， 山东 邹城 273500 ） 对于浅埋薄基岩大断面巷道， 锚杆支护一般起组合梁的作用， 能较好地提高浅部岩层的抗弯拉性， 但不能有效控制顶板的沉降； 而锚 浅埋深 薄基岩 大断面巷道 A 稳定性控制 数值分析
109
因此， 锚杆锚索联合支护可以很好地控制薄基岩 顶板的稳定性 。
图2
切眼上方不同深度处岩层垂直压力
图4
顶板垂直应力比较
由图 2 看出， 切眼开挖后， 无支护情况下， 各岩层 2． 5m 其中， 正上方的垂直压力得到不同程度的释放， 以下全部释放， 垂直压力为零； 而 9． 5m 以上垂直压力 变化较小； 其中， 超过 11． 5m 压力几乎没有变化， 与初 各岩层垂直压力的变化也可以说 始压力相等。此外， 明各岩层离层变化情况， 如 2． 5m 以下范围内各岩层完 无挤压； 而超过 11． 5m 的岩层几乎无离层现 全离层， 对薄基岩顶板必须采取合理的支护方式 。 象 。因此， 3 3． 1 锚杆锚索联合支护机理分析 切眼支护参数设计 切眼顶板支护设计采用锚杆和锚索联合支护 方 锚杆参数为： Φ16 × 2100mm， 间排距为： 1． 0 式。其中， × 1． 0m， 呈矩形布置， 每排布置 10 根； 锚索设计参数 为： Ф15． 24 × 8000mm， 间 排 距 为： 2． 5 × 2． 5m， 每排 4 根； 切眼帮部裸体支护 。切眼支护断面如图 3 所示。 3． 3
名称 砂土 粘性土 砂质泥岩 粉质砂岩 细砂岩 煤 密度 （ kg / m3 ） 2200 1800 2400 2436 2467 1270
岩土体物理力学参数
弹性模量 E（ GPa） 0． 3 1． 0 18 8． 9 9． 7 10 内聚力 （ MPa） 0． 5 1． 0 8． 0 7． 50 14． 35 1． 2 内摩擦角 Φ（ ° ） 20 13 31 30． 3 21． 8 38 泊松比 ν 0． 4 0． 3 0． 18 0． 18 0． 16 0． 2
J2 － 3 C 槡 1 － 1 3 3 J3 θ = cos （ 槡 3 /2 ） 3 2 J2
* 收稿日期： 2012 － 04 － 16 作者简介： 柳泉（ 1975 － ） ， 山东莱阳人， 毕业于山东科技大学采矿 工程专业， 现任兖矿集团鲍店煤矿计划科副科长 。
2012 年第 3 期
影响范围约为 5m 左右 。 沉降，
杆锚索联合支护则可以较好地控制顶板岩层的受力和变形， 且锚索预紧力对支护效果有很大影响。 关键词 中图分类号 TD353． 6 文献标识码
兖州矿区赋存有大量浅埋煤层 。 与深埋 煤层相 比， 浅埋煤层上部基岩一般较薄， 由多个岩层分层组 成， 各岩层具有软、 弱、 薄等特征
［1 ］
， 并且薄基岩上部还
分布有较厚的粘土、 风积砂等松散层， 因此， 巷道开挖 时往往会导致冒顶、 溃砂等事故， 威胁矿山安全生产 。 所以， 加强对薄基岩巷道顶板受力变形特性及支护方 式的研究是十分必要的 。 目前， 我国有关薄基岩的研究还很少 。 其中， 宣以 琼
［2 ］
通过多因素拟合， 确立了薄基岩浅埋煤层覆岩采 表1
［8 ］ ［7 ］
切眼顶板结构柱状图
厚度（ m） 1 ． 80 78 ． 0 1 ． 86 3 ． 25 9 ． 45 0 ． 60 5 ． 55 2 ． 78
分别通过
试验 、 数值模拟等方法对薄基岩巷道顶板破断规律 、 顶 通过试验研究， 成功地提 高了杨村 矿 3 煤 层 薄 基 岩 区 综 放 面 开 采 上 限； 郭 维 等基于建筑物下条带法开采的地表变形观测， 结 合数值模拟方法研究了厚松散层薄基岩条件下， 条带 法开采不同采留尺度的地表沉陷规律等 。 1 数值模型的建立 切眼正常段设计宽度为 8． 5m， 局部机窝 、 架窝处 为 10m。根据顶板受力特点， 按平面应变对问题进行 简化， 建立二维几何模型， 如图 1 所示 。 其中， 切眼取 10m 计算， 模型宽度取 100m， 左右两侧边界水平方向 约束， 底部垂直方向约束。 由切眼附近钻孔揭露的上 部岩层结构如表 1 所示 。 模型假定各岩土体为弹塑性材料， 物理力学参数如表 2 所示， 材料破坏符合 Mohr － Coulomb 准则， 屈服表达式为： f MC cosθ） 1 = I1 sin + （ 3 （ 1 － sin ） sinθ + 槡 3 （ 3 + sin ） 2 （ 1） （ 2） 2
图6
锚索预紧力对顶板位移影响
4
图3 切眼支护剖面图
图5 顶板位移比较
锚索预紧力影响分析 假设锚杆的预紧力为 50kN， 取锚索预紧力分别为
80kN、 100kN、 150kN、 200kN， 则不同锚索预紧力对顶板 沉降量的影响如图 6 所示 。 从图 6 中可以看出， 随锚索预紧力的增大， 巷道顶 特别是顶板表面附近位移变化较 板沉降量逐渐减小， 支护施工过程中， 提高预紧力对减小顶板 显著 。因此， 下沉， 控制巷道稳定性是十分必要的 。